Книга: Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

Искра жизни?

Искра жизни?

Итак, мы проследили историю нашей планеты от глубин архея — 3,8 млрд лет назад — до сегодняшнего дня. Теперь мы встали перед самой большой научной загадкой: как на Земле зародилась жизнь? Каким образом из безжизненных химических веществ возникла биологическая среда? Если мы сумеем найти удовлетворительный ответ на этот вопрос, тогда за ним логично последует другой: возникнет ли жизнь снова в аналогичных условиях на отдаленной планете или спутнике?

Как мы представляем себе Протоземлю, на которой зародилась жизнь? Какие у нас есть данные, позволяющие рассуждать о химическом составе окружающей среды в архее? Скорее всего, атмосфера формировалась из вулканических газов и испарившихся остатков ледяных комет. В таком случае, согласно современным представлениям о вулканах и кометах, земная атмосфера должна была состоять из углекислого газа, воды, азота и сероводорода (и прочих соединений).

История научных поисков возобновляется в 1924 г., когда через 50 с лишним лет после рассуждений Дарвина о небольшом теплом водоеме русский биолог Александр Опарин заинтересовался вопросом возникновения жизни. Он полагал, что основным источником кислорода в атмосфере древней Земли мог быть только фотосинтез. Поскольку фотосинтез — очень сложный процесс, он не мог возникнуть у самых ранних форм жизни. В таком случае зарождение жизни должно происходить в отсутствие молекулярного кислорода, реагирующего почти со всеми простыми веществами. Несколькими годами позже британский биолог Джон Холдейн независимо пришел к такому же заключению: в атмосфере древней Земли практически не было свободного кислорода, и в результате простые органические вещества, прореагировав друг с другом, породили множество более сложных молекул, ставших предшественниками живых организмов. Как Опарин, так и Холдейн считали, что энергия для осуществления таких реакций могла взяться только из природных источников — либо от удара молнии, либо от ультрафиолетового излучения Солнца, от которого Земля в то время была не защищена.

В последующие 30 лет в истории древней Земли ничего не менялось, пока наконец любознательный студент-старшекурсник Стэнли Миллер не решил проверить рассуждения Опарина и Холдейна на практике. В 1953 г. он сконструировал необычайно простую, но в то же время эффектную модель химической активности на раннем этапе развития Земли. Научным руководителем Миллера был Гарольд Юри, получивший в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие изотопа водорода — дейтерия. Их совместная работа получила известность как эксперимент Миллера — Юри.

Экспериментальная установка являла собой замкнутую систему стеклянных трубок и колбу с водой, представляющую земные океаны. В первоначальном варианте вода при нагревании испарялась и по трубке поступала в колбу, в которую была закачана смесь аммиака (NH₃), метана (CH₄) и водорода (H₂), выполнявшая роль древней атмосферы. Впоследствии Миллер несколько изменил свой эксперимент, добавив электрический разряд (в других вариантах он использовал ультрафиолетовое излучение, а также иные источники энергии). Газы из колбы, служившей атмосферой, поступали в охлаждаемую трубку, где конденсировались и снова стекали в «океан». Эксперимент Миллера, во многих смыслах революционный, был невероятно простым, но, как ни удивительно, прошло почти 30 лет, прежде чем экспериментаторы обратили внимание на идеи, высказанные Опариным и Холдейном.

Но самое удивительное — полученные результаты. После нескольких дней непрерывного цикла Миллер заметил, что первоначально прозрачная вода океанов постепенно стала окрашиваться в различные оттенки — от розового до коричневого. Вскоре колба, представляющая океан, покрылась черной смолой — его модель ранней Земли работала. Анализируя содержимое колбы, Миллер обнаружил густой бульон из органических соединений. Самое главное, что в коричневой слизи оказались аминокислоты. Аминокислоты — это кирпичики белковых молекул, фундаментальной основы нашей биохимии.

Эксперимент Миллера — Юри много раз повторяли с различными модификациями. Подобно поварам, экспериментирующим с классическим рецептом, ученые добавляли в первоначальную атмосферу новые ингредиенты: одни — сложные и разнообразные, другие — простые и незатейливые. Среди молекул, находящихся в итоговом смолоподобном веществе, всегда обнаруживались сложные сахара и нуклеотидные основания, присутствующие в нашей ДНК.

Чей рецепт был самым правильным, т. е. наиболее полно описывающим ранние условия существования Земли? Согласно последним представлениям, атмосфера древней Земли состояла из углекислого газа и молекулярного азота, а не аммиака и метана, как это было у Миллера — Юри. Повторение их эксперимента по современному рецепту дает меньше аминокислот, чем получалось раньше (главным образом потому, что такие молекулы, как CO и N₂, гораздо труднее расщепить, чем CH₄ и NH₃). Второй момент, вызывающий жаркие споры, — присутствие в атмосфере Протоземли молекулярного водорода. В присутствии водорода многие реакции, ведущие к созданию сложных органических молекул, протекали бы совсем по-другому. Но поскольку водород — самый легкий из всех газов и легко утекает из планетной атмосферы в космос, специалисты до сих пор жарко спорят о его возможном наличии (при почти полном отсутствии каких-либо надежных данных на этот счет).

Со всех точек зрения состав газовой смеси в эксперименте Миллера — Юри не так важен, как экспериментальное подтверждение того факта, что условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад, могли привести к образованию относительно сложных органических молекул. Такие молекулы очень важны для жизни, но все же надо отметить, что сами по себе они не составляют живую материю. Эксперимент Миллера — Юри лишь показывал возможную последовательность шагов на пути к зарождению жизни. Но эксперимент не может с абсолютной точностью сказать, какие именно реакции происходили на Земле 4 млрд лет назад‹‹11››. В этом смысле эксперимент Миллера — Юри указывает на то, что догадки Опарина и Холдейна действительно имели под собой веские основания, но, как ни обидно, большего от него требовать нельзя. Мы можем удостовериться, что наши идеи вполне разумны, но не можем доказать, что на самом деле все так и было.

Однако стоит отметить: ничто не мешает нам допустить реализацию идей Миллера — Юри. Предположим, у нас есть планета, на которой существуют те же условия и ингредиенты, тогда мы можем ожидать того же результата, а именно среду, богатую сложными органическими молекулами, балансирующими на грани жизни.